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1、 Document Number: Revision: 08-Sep-031VISHAY SILICONIXPower MOSFETsApplication Note 605功率功率 MOSFET 基础：了解基础：了解 MOSFET 与 品质因数有关的特性与 品质因数有关的特性A P P L I C A T I O N N O T E 作者：Jess Brown 和 Guy Moxey简介功率MOSFET已经变成了标准选择，被广泛用作低压 （2 亿单元 / 平方英 寸） 。提高到该单元密度水平是很有益的，这样就可以创建一 系列能够均衡超低导通电阻、栅极特性和成本的器件。然而， 单位晶圆上晶片
2、数量的增加（会提高成本优势）和 RDS(on)降 低 （会提升性能）仍然是 2 大优势。密度为1.78亿单元/平方英寸的MOSFET沟槽晶片的横截面 如图 3 所示。这部分穿过了区内的超高密度晶圆，展示了高 密度单元扩展。为了实现这种单元数字，重点需要放在横向 和垂直单元扩展上，这样不仅可以优化 RDS(on)，还可以优化 栅极特性。随着设计用于提高单元密度的横向扩展的发展，相关电容 （如图 3b 所示）得到了改善，从而加强了快速开关，这对于 高频操作 （400kHz）是不可或缺的。此外，在轻电流负载 下，栅极驱动损耗成了影响总系统效率的重要因素，所以必 须考虑栅极电容。通过改善垂直扩展，降低
3、了电容，进而降低了 RDS(on)x Qg值 （低于 100 （m x nC） ） 。注释注释(1) “A Fivefold Increase in Cell Density Sets the New Milestone inTrenchFET?Device Performance” , G. Moxey and M. Speed.PCIM, 2001.符号说明 RB基极电阻 RgMOSFET 内部的栅电阻Cgs由于多晶硅栅与源和沟道区重叠而产生的电容。与外 加电压无关。Cgd由 2 部分组成： 1. 与多晶硅栅和 JFET 区内下部芯片重叠有关。与外 加电压无关。 2. 与栅极下方的耗尽区有
4、关的电容。是电压的非线性 函数。这在输出和输入电路之间提供了反馈回路。它被称 作 “米勒电容” ，因为它使总动态输入电容高于静 态电容之和。Cds与体漂移二极管有关的电容。与漏源极偏压的平方根 成反比。BVDSS在雪崩倍增过程中，反向偏压体漂移二极管被击穿、 大量电流开始在源极和漏极之间流动、栅极和源极一 起被短路时的电压。通常在 250 A 的漏极电流下测 量得来。RDS(on)沟槽的通态电阻。等于 RSOURCE源扩散电阻 RCH沟道电阻 RA积聚区电阻 RJJFET 元件电阻 RD漂移区电阻 Rsub基片电阻Rwcl焊线、触点和引线框电阻 （低压器件内的 Rwcl 电阻 较大）gfs跨导
5、，用于测量漏极电压对栅源极偏压变化的灵敏 度。通常是针对 VGS（它提供了等于 1/2 最大电流的 漏极电流） 和VDS （可以保证在恒流区内运行） 而言。 Ciss输入电容。等于Cds 短路时的Cgs + Cgd。 Crss反向传输电容，CgdCoss输出电容。等于 Cds + CgdQg总栅极电荷。栅极电容消耗的电荷量。 Qgs栅源极电荷。栅源极电容消耗的电荷。 Qgs栅漏极电荷。栅漏极电容消耗的电荷。RSOURCERCHRARDRsubRwcl+1 - MOSFET 参数定义功率功率 MOSFET 基础：了解基础：了解 MOSFET 与 品质因数有关的特性与 品质因数有关的特性Appli
6、cation Note 605Vishay SiliconixA P P L I C A T I O N N O T E Document Number: Revision: 08-Sep-033图 2 沟槽 DMOS 3D 横截面和相关电阻元件图 3 沟槽 DMOS 3D 横截面和相关电阻元件DMOS沟槽MOSFET的导通电阻是活动载流子必须流经的各 个区域的电阻之和 （如图 2 所示） 。应该注意的是，对于平面 MOSFET 而言，RRDS(on)值还包含 JFET 元件电阻。MOSFET 的寄生电容 N-沟道MOSFET的简图如图4所示， 其中三个电容， 即Cgd、 Cds和 Cgs，
7、代表寄生电容。这些数值可以计算出输入电容、 输出电容和反向传输电容，如表 1 所述。图 4 - N 沟道 MOSFET 的简化等效电路 （标有寄生电容、 npn 晶体 管和 Rb 电阻）a) TrenchFET Power MOSFET Cross Section(b) Trench Vertical DMOS Components of ResistanceGateP-BodyN-EpiN-SubDrainSourceGate InterconnectSource InterconnectSpreadingEpiSubstrateDrain InterconnectP-BodyN+N+Cha
8、nnel)ba)RDSRDSRDSRDSBodyDrainSourceGateGateCgsCgsCgdCgdRDS on()RSOURCERCHRARDRsubRwcl+=DrainSourceGateDrainCdsnpnSourceCgsCgdGateRgRb功率功率 MOSFET 基础：了解基础：了解 MOSFET 与 品质因数有关的特性与 品质因数有关的特性Document Number: 71946 4Revision: 08-Sep-03 Application Note 605Vishay SiliconixA P P L I C A T I O N N O T E图 5 -
9、栅漏极电容与漏源极电压关系图然而，应该注意的是，由于等效电路不光包含 1 个电阻和 3 个电容，而是要复杂得多，所以这些电容只可用于了解开关 瞬态的特性。栅漏极电容 Cgd和栅源极电容 Cgs属于压敏电容，因此电容 值随施加在漏源极和器件的栅源极上的电压而变。 Cgd的变化 比 Cgs大得多，只不过是因为其上施加的电压比 Cgs上的大 得多。Cgd的变化 (1) 如图 5 所示，可能高达 100 倍，通常接 近于 2 个静态值。这些电容变化会影响施加在器件栅极上的 电压，从而形成米勒平台 (1)。这会在发生开关瞬态时产生断 开和接通上升与下降时间，还会 “拉平”栅极电压，如图 6 所示。图 6
10、- 栅漏极电容与漏源极电压关系图 注释注释(1) “Power Electronics, Converters, Applications and Design” ,Mohan, Underland and Robbins. ISBN 0-471-58404-8.结论 本应用指南是一系列介绍在开关模式电源内实现的功率 MOSFET 的基本特性与工作性能的技术文档中的第一部。本 应用指南旨在向读者全面介绍 Vishay Siliconix MOSFETs 所 采用的器件技术。FOM 本身不能让电源设计者选出理想器件，但却概括了器件技术和可能实现的性能。要进行可靠的主观分析，则必须修 改每个 FOM，以便包含 MOSFET 应用方面的信息。因此， 本应用指南定义了为特定应用选择合适的器件时需要考虑的 主要特性 （表 1） 。Turn-OnTurn-OffCdgCdg(on)Cdg(off)VGS = VDSVDSVDSMiller PlateauCurrentGate Voltage
